《材料的疲勞》課件

材料的疲勞材料疲勞是指材料在循環(huán)載荷作用下，其強(qiáng)度逐漸降低，最終斷裂的現(xiàn)象。材料疲勞是一個(gè)重要的工程問題，它會(huì)造成各種結(jié)構(gòu)和設(shè)備的失效，因此了解和控制材料疲勞是確保安全和可靠性的關(guān)鍵。引言材料的疲勞失效工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械部件的疲勞失效是常見的現(xiàn)象。疲勞失效的影響疲勞失效會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。疲勞研究的意義理解疲勞的機(jī)理，掌握疲勞測(cè)試和分析方法，有助于提高結(jié)構(gòu)和機(jī)械部件的可靠性。疲勞的概念1循環(huán)載荷金屬材料在反復(fù)交變的載荷作用下發(fā)生的損傷和斷裂現(xiàn)象。2應(yīng)力集中在材料的某個(gè)部位，應(yīng)力值會(huì)明顯高于其他部位。3裂紋擴(kuò)展材料內(nèi)部微小的裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料斷裂。疲勞失效的特點(diǎn)緩慢發(fā)展疲勞失效通常需要較長(zhǎng)時(shí)間才能發(fā)生，這與材料的彈性變形和塑性變形不同。疲勞裂紋的擴(kuò)展過程是逐漸進(jìn)行的，可能在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒有明顯的外部跡象。裂紋擴(kuò)展疲勞失效通常由裂紋擴(kuò)展引起，裂紋從材料的微觀缺陷開始，逐漸擴(kuò)展到足以導(dǎo)致斷裂的程度。裂紋擴(kuò)展的路徑通常不規(guī)則，因?yàn)椴牧显谄谘h(huán)過程中會(huì)發(fā)生塑性變形。疲勞測(cè)試的分類應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)控制施加在試件上的應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)，觀察試件的疲勞壽命。應(yīng)變循環(huán)試驗(yàn)控制施加在試件上的應(yīng)變幅值和循環(huán)次數(shù)，觀察試件的疲勞壽命。裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)觀察預(yù)制裂紋在循環(huán)載荷下的擴(kuò)展速率，研究裂紋擴(kuò)展機(jī)制。疲勞壽命預(yù)測(cè)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論模型，預(yù)測(cè)材料在特定載荷條件下的疲勞壽命。應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)1定義在控制的應(yīng)力幅值和頻率下進(jìn)行重復(fù)的應(yīng)力加載和卸載。2目的模擬實(shí)際工況下材料承受的循環(huán)應(yīng)力，評(píng)估材料的疲勞壽命。3方法采用疲勞試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試件施加循環(huán)載荷，觀察其疲勞行為。應(yīng)變循環(huán)試驗(yàn)應(yīng)變循環(huán)試驗(yàn)是一種重要的疲勞試驗(yàn)方法，它控制試件的應(yīng)變幅值，并測(cè)量試件在循環(huán)載荷下的應(yīng)力響應(yīng)，可以得到應(yīng)變-壽命曲線，用來研究材料在不同應(yīng)變幅值下的疲勞壽命。1應(yīng)變控制控制試件的應(yīng)變幅值2應(yīng)力測(cè)量測(cè)量試件的應(yīng)力響應(yīng)3應(yīng)變-壽命曲線得到材料的疲勞壽命數(shù)據(jù)應(yīng)力-壽命(S-N)曲線應(yīng)力-壽命(S-N)曲線是描述材料疲勞性能的重要指標(biāo)。通過該曲線，可以預(yù)測(cè)材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。橫軸表示應(yīng)力幅值，縱軸表示疲勞壽命，曲線通常呈對(duì)數(shù)形式。S-N曲線通常通過疲勞試驗(yàn)獲得，并可以通過經(jīng)驗(yàn)公式或疲勞壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行模擬。疲勞損傷累積理論累積損傷疲勞損傷累積是材料在多次循環(huán)載荷作用下逐漸失效的過程.損傷極限材料在承受一定循環(huán)載荷后，會(huì)達(dá)到其疲勞極限，無法承受更大載荷.疲勞壽命預(yù)測(cè)通過疲勞損傷累積理論，可以預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命.普米納規(guī)則普米納規(guī)則普米納規(guī)則是一種疲勞損傷累積理論。假設(shè)每個(gè)循環(huán)都會(huì)造成一定的損傷，且損傷是累積的。當(dāng)累積損傷達(dá)到一定程度時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生疲勞破壞。該規(guī)則通常用于評(píng)估不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，普米納規(guī)則有一定局限性。線性損傷累積理論損傷累積線性損傷累積理論假設(shè)疲勞損傷與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)成正比。壽命預(yù)測(cè)該理論可以用于預(yù)測(cè)材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。時(shí)間依賴該理論考慮了材料在不同時(shí)間段內(nèi)受到的疲勞損傷累積。計(jì)算方法通過線性累積公式，可以計(jì)算材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展裂紋萌生疲勞裂紋通常從材料表面或內(nèi)部的微小缺陷開始。這些缺陷可能是制造缺陷、加工缺陷或使用過程中的損傷。裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋在循環(huán)載荷的作用下逐漸擴(kuò)展。擴(kuò)展過程通常分為三個(gè)階段：裂紋萌生、緩慢擴(kuò)展和快速擴(kuò)展。最終斷裂當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，材料的剩余強(qiáng)度不足以承受載荷，最終導(dǎo)致斷裂。疲勞裂紋擴(kuò)展速率疲勞裂紋擴(kuò)展速率裂紋尺寸應(yīng)力強(qiáng)度因子材料特性是指裂紋尺寸隨時(shí)間變化的速率較大尺寸的裂紋擴(kuò)展較快較高的應(yīng)力強(qiáng)度因子導(dǎo)致更快的擴(kuò)展不同材料的擴(kuò)展速率有所不同巴丁格曲線巴丁格曲線是描述裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的關(guān)系曲線。它展示了裂紋在不同應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍下的擴(kuò)展速度。這條曲線對(duì)于預(yù)測(cè)疲勞裂紋的擴(kuò)展壽命至關(guān)重要，它是材料疲勞性能的重要指標(biāo)之一。巴丁格曲線的形狀取決于材料的性質(zhì)、裂紋的形狀和尺寸，以及加載條件等因素。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)材料的具體情況進(jìn)行測(cè)試，并繪制相應(yīng)的巴丁格曲線，以用于預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展壽命。應(yīng)力強(qiáng)度因子K11.定義應(yīng)力強(qiáng)度因子K是描述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)，代表裂紋尖端應(yīng)力集中的程度。22.重要性K值的大小與材料的抗裂性密切相關(guān)，是判斷材料疲勞裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)的重要依據(jù)。33.應(yīng)用廣泛應(yīng)用于疲勞壽命預(yù)測(cè)、裂紋擴(kuò)展速率計(jì)算以及疲勞設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。44.影響因素K值受裂紋幾何形狀、尺寸、載荷類型以及材料性質(zhì)的影響。應(yīng)力強(qiáng)度因子K的計(jì)算1幾何形狀裂紋長(zhǎng)度，裂紋形狀等2載荷應(yīng)力水平和類型3材料性質(zhì)彈性模量，泊松比等應(yīng)力強(qiáng)度因子K是表征裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)，反映了裂紋尖端應(yīng)力的集中程度。計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子K需要考慮裂紋形狀，載荷類型，材料性質(zhì)等因素。疲勞裂紋傳播壽命的計(jì)算疲勞裂紋的傳播壽命是指從裂紋萌生到裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效所需的時(shí)間或循環(huán)次數(shù)。計(jì)算疲勞裂紋傳播壽命是確保結(jié)構(gòu)可靠性和安全性的關(guān)鍵。疲勞裂紋傳播壽命的計(jì)算方法主要基于Paris公式。Paris公式是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得出的經(jīng)驗(yàn)公式，它將疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK聯(lián)系起來。1ΔK應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍2da/dN疲勞裂紋擴(kuò)展速率3C材料常數(shù)4m材料常數(shù)疲勞壽命預(yù)測(cè)疲勞壽命預(yù)測(cè)是預(yù)測(cè)材料或結(jié)構(gòu)在一定應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)下失效所需循環(huán)次數(shù)的過程。它在工程設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，可以幫助工程師設(shè)計(jì)出更可靠的結(jié)構(gòu)，并避免因疲勞失效造成的災(zāi)難性事故。疲勞壽命預(yù)測(cè)方法主要有兩種：基于應(yīng)力-壽命(S-N)曲線的方法和基于裂紋擴(kuò)展速率的方法。S-N曲線方法適用于沒有裂紋的材料或結(jié)構(gòu)，而裂紋擴(kuò)展速率方法則適用于存在初始裂紋的材料或結(jié)構(gòu)。影響疲勞壽命的因素很多，包括材料的類型、應(yīng)力幅值、應(yīng)力比、溫度、環(huán)境條件等。工程師可以通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬來確定這些因素對(duì)疲勞壽命的影響，并以此來優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。影響疲勞壽命的因素材料特性材料的強(qiáng)度、韌性、硬度等特性會(huì)影響其疲勞壽命。表面狀況表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力、表面涂層等會(huì)影響疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。載荷類型循環(huán)載荷的幅值、頻率、波形等都會(huì)影響疲勞壽命。環(huán)境因素溫度、濕度、腐蝕介質(zhì)等會(huì)影響材料的疲勞性能。材料的抗疲勞設(shè)計(jì)材料選擇選擇具有高抗疲勞強(qiáng)度、高韌性和高抗裂紋擴(kuò)展能力的材料，例如高強(qiáng)度鋼、鈦合金等。表面處理表面處理可以提高材料的抗疲勞性能，例如噴丸處理、鍍層處理等。形狀設(shè)計(jì)合理的設(shè)計(jì)形狀，避免應(yīng)力集中，降低應(yīng)力水平，從而提高材料的抗疲勞性能。結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過有限元分析等方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使應(yīng)力分布更加均勻，提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞11.焊接應(yīng)力集中焊接過程會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。22.焊接缺陷的影響焊接缺陷，如氣孔、裂紋等，會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，增加疲勞裂紋的起始點(diǎn)。33.熱影響區(qū)的影響焊接熱影響區(qū)金屬的微觀組織發(fā)生改變，導(dǎo)致材料的疲勞性能下降。44.焊接工藝的影響焊接工藝參數(shù)，如電流、電壓、焊接速度等，也會(huì)影響焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。軸承的疲勞滾動(dòng)疲勞滾動(dòng)軸承在工作過程中，滾珠或滾柱與內(nèi)圈和外圈之間會(huì)產(chǎn)生反復(fù)滾動(dòng)接觸應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞失效，形成疲勞點(diǎn)蝕或剝落。影響因素軸承材料、載荷大小、轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑情況、安裝精度、工作環(huán)境等因素都會(huì)影響軸承的疲勞壽命。齒輪的疲勞齒面疲勞齒輪在工作過程中，齒面會(huì)承受反復(fù)的接觸應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致齒面剝落或斷裂。齒根疲勞齒根處的彎曲應(yīng)力也會(huì)引起疲勞，導(dǎo)致齒根斷裂。齒根處的疲勞破壞通常發(fā)生在齒根過渡圓角處，由于應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞壽命降低。齒側(cè)疲勞由于齒輪嚙合過程中的滑動(dòng)摩擦，齒側(cè)也會(huì)產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致齒側(cè)磨損或斷裂。影響因素齒輪的材質(zhì)、熱處理工藝、潤(rùn)滑條件、載荷大小、工作速度、嚙合精度等因素都會(huì)影響齒輪的疲勞壽命。彈簧的疲勞反復(fù)壓縮拉伸彈簧在使用過程中會(huì)反復(fù)壓縮和拉伸，導(dǎo)致彈簧材料發(fā)生疲勞。應(yīng)力集中彈簧的彎曲部分容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加速疲勞損傷。疲勞失效彈簧疲勞失效會(huì)導(dǎo)致彈性性能下降，甚至斷裂，影響設(shè)備安全。螺栓連接的疲勞螺栓連接疲勞螺栓連接廣泛用于機(jī)械結(jié)構(gòu)中。螺栓的反復(fù)載荷會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。疲勞分析應(yīng)力集中是螺栓連接疲勞失效的主要原因，螺栓孔周圍的應(yīng)力集中會(huì)顯著降低疲勞強(qiáng)度。疲勞測(cè)試疲勞測(cè)試可模擬實(shí)際工況，評(píng)估螺栓連接的疲勞壽命，指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞重復(fù)載荷飛機(jī)在起飛、降落和飛行過程中會(huì)承受大量的重復(fù)載荷，導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)疲勞。環(huán)境因素高空低溫、氣壓變化、腐蝕性環(huán)境等會(huì)加速機(jī)體結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。安全隱患疲勞損傷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，甚至導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)失效，造成嚴(yán)重安全隱患。汽車懸架系統(tǒng)的疲勞循環(huán)載荷汽車懸架系統(tǒng)承受來自道路的不規(guī)則載荷，造成反復(fù)的應(yīng)力變化。疲勞累積這些循環(huán)載荷會(huì)導(dǎo)致懸架組件的疲勞損傷累積，最終可能導(dǎo)致失效。材料特性懸架組件通常由鋼、鋁等金屬制成，其疲勞特性會(huì)影響其壽命。設(shè)計(jì)缺陷設(shè)計(jì)缺陷，例如焊接質(zhì)量、材料選擇、尺寸和形狀，都會(huì)影響懸架系統(tǒng)的疲勞壽命。工程建筑物的疲勞結(jié)構(gòu)疲勞分析橋梁、大壩、高層建筑等工程建筑物長(zhǎng)期承受循環(huán)荷載，可能導(dǎo)致疲勞損傷積累，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。疲勞分析需要考慮荷載類型、頻率、幅值等因素，并根據(jù)材料的疲勞特性進(jìn)行計(jì)算。疲勞損傷評(píng)估通過監(jiān)測(cè)建筑物的應(yīng)力狀態(tài)、裂紋擴(kuò)展速度等，評(píng)估結(jié)構(gòu)的疲勞損傷程度。疲勞損傷評(píng)估結(jié)果可以用于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)剩余壽命，并制定相應(yīng)的維護(hù)方案。疲勞壽命預(yù)測(cè)疲勞壽命預(yù)測(cè)可以幫助工程師制定預(yù)防性維修計(jì)劃，延長(zhǎng)建筑物的使用壽命。預(yù)測(cè)方法需要結(jié)合結(jié)構(gòu)的材料特性、荷載條件、環(huán)境因素等進(jìn)行分析。實(shí)例分析疲勞失效是一個(gè)普遍的工程問題，它可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和部件的失效，甚至造成災(zāi)難性事故。例如，飛機(jī)機(jī)翼的疲勞斷裂可能會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)墜毀。對(duì)橋梁、風(fēng)力渦輪機(jī)和其他關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行疲勞分析至關(guān)重要，以確保其安全性和可靠性。總結(jié)1疲勞失效材料在反復(fù)載荷作用下發(fā)生的斷裂2疲勞測(cè)試評(píng)估材料抗疲勞性能3疲勞壽命預(yù)測(cè)根據(jù)測(cè)試結(jié)果預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命4抗疲勞設(shè)計(jì)采取措施提高